Conceptualization, design and optimal operation of hybrid AC-DC power router grids

Abstract

(English) Driven by increasingly strict climate goals, the need for modernization of the electric power system has intensified in recent years. The transition towards a distributed and decarbonized smart energy system requires modernizing power grids to accommodate the widespread adoption of renewable energy sources (RES), electric vehicles (EVs), and distributed energy resources (DERs). One key factor to enable this is the advancements in power electronics and their widespread deployment. The Power Router (PR) technology is crucial for this transition, as it facilitates flexible and efficient management of electricity as well as integration between AC and DC grids. It is a device composed of multiple ports that provides a seamless interface of different elements of a power grid by controlling the power between ports. In the first half of this thesis, different kinds of PR concepts are investigated and a novel grid concept based on PRs has been defined, named Power Router Grid (PRG). The PR concept adopted consists of coupling a set of voltage source converters to a common DC bus, in which each converter functions as a different input or output port. The converter model design used is the Modular-Multilevel-Converter (MMC) and is adaptable for PRs with any number of ports and any power level. Then, the theory behind the PRG is presented. First, a set of rules is proposed to ensure the correct configuration and operation of the PRG. Secondly, each PR role is defined based on their tasks within the PRG. Finally, in combination with graph theory methods, a new concept is introduced called Slack Tree (ST). The ST is the backbone that regulates and ensures power balance and the feasibility of the PRG operation, and is a connection path between all ports operating as a slack element. In the second half, all of these novelty concepts behind the PRG are combined with optimal power flow (OPF) models, convexity techniques and converter loss modelling. The goal is to create a Python-based convex OPF formulation suitable for any hybrid AC-DC network Based on PRs. The mathematical formulation is based on a second-order cone relaxation of the traditional power flows equations applied to radial networks. The developed PRG-OPF however, due to the decoupling characteristics of the PRs, is demonstrated to be suitable for any network meshed through PRs. In the last part of thesis, this formulation is further expanded to include the effects of converter losses. The loss model developed is defined as a set of linear constraints that are scalable and easy to implement inside an OPF. Additionally, other constraints regarding DC lines and AC grid integration are developed and integrated. The proposed OPF formulation is loss-aware and utilizes the full potential of PRs to integrate different systems. Throughout this doctoral thesis, seven case studies are presented in order to demonstrate the validity of the proposed concepts. Specifically, the power flow analysis show the viability of the highly-flexible PRG design. Different sensitivity analysis are conducted in order to assess the impact of converter losses and also the ST selection in the optimal operation of the PRG. Among the key remarks, the results demonstrate that the choice of ST does not significantly affect line losses. It is also shown that, despite the added converter losses, the PRG is more efficient than a traditional network in most scenarios, particularly in the presence of loads with low power factor.

(Català) Impulsada per uns objectius climàtics cada cop més estrictes, la necessitat de modernitzar el sistema elèctric s’ha intensificat en els darrers anys. La transició cap a un sistema energètic intel·ligent distribuït i descarbonitzat requereix modernitzar les xarxes elèctriques per a adaptar-se a l’adopció generalitzada de fonts d’energia renovable (RES), vehicles elèctrics (EVs) i recursos energètics distribuïts (DERs). Un factor clau per permetre això són els avenços en l'electrònica de potència i el seu desplegament generalitzat. La tecnologia del Router de Potència (Power Router, PR) és crucial per a aquesta transició, ja que facilita una gestió flexible i eficient de l’electricitat, així com la integració entre xarxes de corrent altern (CA) i corrent continu (CC). Es tracta d’un dispositiu compost per múltiples ports que proporciona una interfície integrada entre diferents elements d’una xarxa elèctrica controlant la potència entre els ports. A la primera part d’aquesta tesi, s’investiguen diferents tipus de conceptes de PR i es defineix un nou concepte de xarxa basat en PRs, anomenat Xarxa de Routers de Potència (Power Router Grid, PRG). El concepte de PR adoptat consisteix en l’acoblament d’un conjunt de convertidors de font de tensió a un bus de corrent continu comú, on cada convertidor actua com un port d’entrada o sortida diferent. El model de convertidor utilitzat és el Convertidor Modular Multinivell (MMC), adaptable per a PRs amb qualsevol nombre de ports i qualsevol nivell de potència. Posteriorment, es presenta la teoria darrere del PRG. Primer, es proposa un conjunt de regles per assegurar la configuració i operació correctes del PRG. En segon lloc, es defineixen els rols de cada PR basant-se en les seves tasques dins del PRG. Finalment, en combinació amb mètodes de teoria de grafs, s’introdueix un nou concepte anomenat arbre slack (Slack Tree, ST). L’ST és l’estructura que regula i assegura l’equilibri de potència i la viabilitat operativa del PRG, i és un camí de connexió entre tots els ports que operen com a element slack. A la segona part, tots aquests conceptes innovadors del PRG es combinen amb models de flux de potència òptim (Optimal Power Flow, OPF), tècniques de convexitat i modelització de pèrdues dels convertidors. L’objectiu és crear una formulació OPF convexa basada en Python adequada per a qualsevol xarxa híbrida AC-DC basada en PRs. La formulació matemàtica es basa en una relaxació de segon ordre de les equacions tradicionals de flux de potència aplicades a xarxes radials. Tanmateix, el PRG-OPF desenvolupat, gràcies a les característiques de desacoblament dels PRs, es demostra adequat per a qualsevol xarxa interconnectada a través de PRs. A l’última part de la tesi, aquesta formulació s’amplia per incloure els efectes de les pèrdues dels convertidors. El model de pèrdues desenvolupat es defineix com un conjunt de restriccions lineals escalables i fàcils d’implementar dins d’un OPF. Addicionalment, es desenvolupen i integren altres restriccions relacionades amb línies CC i la integració de xarxes CA. La formulació OPF proposada és conscient de les pèrdues i utilitza tot el potencial dels PRs per integrar diferents sistemes. Al llarg d’aquesta tesi doctoral, es presenten set estudis de cas per demostrar la validesa dels conceptes proposats. Concretament, les anàlisis de flux de potència mostren la viabilitat del disseny altament flexible del PRG. Es realitzen diverses anàlisis de sensibilitat per avaluar l’impacte de les pèrdues dels convertidors i també la selecció de l’ST en l’operació òptima del PRG. Entre les conclusions clau, els resultats demostren que l’elecció de l’ST no afecta significativament les pèrdues en les línies i que, malgrat les pèrdues addicionals dels convertidors, el PRG és més eficient que una xarxa tradicional en la majoria d’escenaris, especialment quan es consideren càrregues amb factors de potència baixos.

(Español) Impulsada por objetivos climáticos cada vez más estrictos, la necesidad de modernizar el sistema eléctrico se ha intensificado en los últimos años. La transición hacia un sistema energético inteligente distribuido y descarbonizado requiere modernizar las redes eléctricas para adaptarse a la adopción generalizada de fuentes de energía renovable (RES), vehículos eléctricos (EVs) y recursos energéticos distribuidos (DERs). Un factor clave para posibilitar esto son los avances en electrónica de potencia y su implementación generalizada. La tecnología del Router de Potencia (Power Router, PR) es crucial para esta transición, ya que facilita una gestión flexible y eficiente de la electricidad, así como la integración entre redes de corriente alterna (CA) y corriente continua (CC). Se trata de un dispositivo compuesto por múltiples puertos que proporciona una interfaz integrada entre diferentes elementos de una red eléctrica controlando la potencia entre los puertos. En la primera parte de esta tesis, se investigan diferentes tipos de conceptos de PR y se define un nuevo concepto de red basado en PRs, denominado Red de Routers de Potencia (Power Router Grid, PRG). El concepto de PR adoptado consiste en acoplar un conjunto de convertidores de fuente de voltaje a un bus de corriente continua común, en el que cada convertidor actúa como un puerto de entrada o salida diferente. El modelo de convertidor utilizado es el Convertidor Modular Multinivel (MMC), adaptable para PRs con cualquier número de puertos y cualquier nivel de potencia. Posteriormente, se presenta la teoría detrás del PRG. Primero, se propone un conjunto de reglas para garantizar la configuración y operación correctas del PRG. En segundo lugar, se definen los roles de cada PR en función de sus tareas dentro del PRG. Finalmente, en combinación con métodos de teoría de grafos, se introduce un nuevo concepto denominado árbol slack (Slack Tree, ST). El ST es la estructura que regula y asegura el equilibrio de potencia y la viabilidad operativa del PRG, y es una ruta de conexión entre todos los puertos que operan como elemento slack. En la segunda parte, todos estos conceptos innovadores detrás del PRG se combinan con modelos de flujo de potencia óptimo (Optimal Power Flow, OPF), técnicas de convexidad y modelado de pérdidas de los convertidores. El objetivo es crear una formulación OPF convexa basada en Python adecuada para cualquier red híbrida AC-DC basada en PRs. La formulación matemática se basa en una relajación de segundo orden de las ecuaciones tradicionales de flujo de potencia aplicadas a redes radiales. Sin embargo, el PRG-OPF desarrollado, gracias a las características de desacoplamiento de los PRs, se demuestra adecuado para cualquier red mallada a través de PRs. En la última parte de la tesis, esta formulación se amplía para incluir los efectos de las pérdidas de los convertidores. Adicionalmente, se desarrollan e integran otras restricciones relacionadas con líneas CC y la integración de redes CA. La formulación OPF propuesta considera las pérdidas y utiliza todo el potencial de los PRs para integrar diferentes sistemas. A lo largo de esta tesis doctoral, se presentan siete estudios de caso para demostrar la validez de los conceptos propuestos. Específicamente, los análisis de flujo de potencia muestran la viabilidad del diseño altamente flexible del PRG. Se realizan diversos análisis de sensibilidad para evaluar el impacto de las pérdidas de los convertidores y también la selección del ST en la operación óptima del PRG. Entre las conclusiones clave, los resultados demuestran que la elección del ST no afecta significativamente las pérdidas en las líneas y que, a pesar de las pérdidas adicionales de los convertidores, el PRG es más eficiente que una red tradicional en la mayoría de los escenarios, particularmente cuando se consideran cargas con factores de potencia bajos.